Главная | Обратная связь

Виды трения. Особенности трения при резании

В процессе резания имеет место внешнее трение: 1)на передней поверхности инструмента от сходящей стружки; 2) трение задней поверхности инструмента о поверхность резания (внутреннее трение по плоскости скалывания). Возникающие при этом сопротивление движению называют силой трения. В результате работы силы трения происходит износ соприкасающихся поверхностей твердых тел, т.е. уменьшение массы тела вследствие отделения ее в виде частиц от трущихся поверхностей.

Трение – сложный физико-механический процесс. При скольжении двух поверхностей в зависимости от их шероховатостей соприкосновение может быть только в отдельных точках, что создает высокие контактные напряжения и ведет к пластической деформации и разрушению выступов и образованию поверхностей с меньшей шероховатостью (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема процесса трения

Высокая температура в местах контакта активирует химические явления и хотя удельное давление уменьшается, т.к. увеличивается площадь контакта, появляется молекулярное сцепление – адгезия (схватывание). Оно сопровождается отрывом отдельных частиц материала. Увеличение работы трения способствует образованию высоких контактных температур, что активирует явление диффузии (взаимное проникновение и растворение структурных составляющих). Все это относится к кинетическому трению, т.е. трению при движении скольжения. Трение в процессе резания тоже является кинетическим.

Процесс износа оценивается:

1. Интенсивностью изнашивания (отношение величины износа к пути трения).

2. Скоростью изнашивания (отношение величины износа ко времени, в течение которого этот износ совершается).

3. Износостойкостью – свойством материала трущихся пар оказывать сопротивление изнашивания материала инструмента.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств трущихся поверхностей, скорости трения, нормального напряжения, температуры, шероховатостей поверхностей и условий работы – в сухую или со смазкой. Различают следующие виды трения:

1. Сухое трение – это когда трущиеся поверхности непосредственно соприкасаются друг с другом и могут лишь покрываться адсорбированными слоями (пленками) газов из внешней среды, которые значительно уменьшают силы трения.

2. Полужидкостное трение – это когда слой смазки настолько тонок, что трение не определяется вязкостью жидкости. Эту смазку называют граничной.

3. Жидкостное трение – это когда слой жидкости настолько толст, что сила трения определяется исключительно свойствами жидкости и не зависит от природы трущихся поверхностей. Смазка в этих случаях называется гидродинамической.

Особенности трения при резании имеет свои специфические условия, по сравнению с трением в деталях машин: 1) трение осуществляется обычно при очень высоких давлениях 40-50 МПа, 2) температура на трущихся поверхностях при резании достигает 1000°С и выше; 3) трущиеся поверхности скользят с большой скоростью относительно друг друга, достигая 600 м/мин и больше. Жидкостное трение при резании не имеет места.

Может иметь место полужидкостное и сухое трение, причем при сухом трении поверхность стружки, прилегающая к передней поверхности инструмента, поверхность резания детали с главной задней поверхности инструмента вступает процесс скольжения свободными от адсорбированных пленок и окислов. Исследования в области изучения трения при резании обычно сводились к определению силы трения и нормального давления, чтобы определить коэффициент трения: .

Но т.к. на поверхностях скольжения процесс трения не идентичен, то определяются средней силы и среднего коэффициента. Процесс трения при резании – очень сложный процесс. Образование нароста вносит изменение в процесс трения, а значит на износ инструмента. Износ инструмента сопровождается адгезией даже тогда, когда идет абразивный механический износ истирания. Происходит вырывание частиц инструментального молекулярного износа материала, который до 90% уносится со стружкой. Это используется при исследовании износа инструмента методом радиоактивных изотопов и будет рассмотрен в дальнейшем.

При высокой температуре имеет место явление диффузии.

Механизмы износа

Режущий инструмент может подвергаться адгезионному, абразивному, диффузионному, химико-окислительному и другим видам износа, которые зависят от условий резания. Выяснение причин, характера и закономерностей износа инструмента необходимо для установления научно обоснованных рекомендаций наиболее эффективной эксплуатации инструмента в разнообразных условиях современного производства.

Абразивный износ режущего инструмента вызывается царапанием и срезанием твердыми включениями материала детали субмикроскопических и микроскопических объемов поверхностных слоев инструмента. Интенсивность абразивного износа зависит от твердости твердых включений материала детали, прочности и твердости поверхностных слоев инструмента при температуре резания. Абразивный износ может играть решающую роль при обработке деталей из материалов с резко выраженными абразивными свойствами (чугун, силумин, сварные швы и др.). Абразивному износу подвергаются в основном режущие инструменты, работающие при относительно низких скоростях и температурах резания (протяжки, плашки, метчики, долбяки и др.).

Адгезионный износ инструмента заключается в отрыве или срезе мельчайших частиц инструментального материала под действием сил адгезии, возникающих в процессе трения контактных поверхностей инструмента и обрабатываемой детали. Под адгезионным понимают все виды межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами. Мостики адгезионной связи образуются между контактирующими поверхностями, расположенными на расстоянии действия межмолекулярных сил. Если контактирующие твердые тела покрыты пленками (окисными, смазок, адсорбированными), то в адгезионное взаимодействие вступают пленки и защищают от схватывания лежащие под ними тела. При отсутствии пленок в адгезионное взаимодействие вступают сами тела и прочность адгезионных связей повышается.

При резании часто контактируют ювенильные (химически чистые) поверхности, плотно прижатые друг к другу под большим давлением, а это является необходимым условием для интенсивного проявления адгезионного взаимодействия твердых тел. При скольжении одной поверхности по другой в процессе резания происхо­дит непрерывный процесс возникновения и разрушения адгезионных связей.

Для исследования адгезионного износа применяют метод микрорентгеноспектрального анализа. Результаты адгезии можно обнаружить также при наблюдении под микроскопом полированных контактных поверхностей инструмента, на которых обнаруживаются налипшие частицы обрабатываемого материала и изъяны в результате отрыва частиц инструментального материала. Отрыву последних способствуют циклический характер срезающих напряжений, действующих в каждой отдельной микрообласти, и возникновение усталостных явлений в поверхностных слоях инструмента.

Интенсивность адгезионного отрыва зависит от свойств обрабатываемого и инструментального материалов и условий обработки, таких, как скорость и температура резания, а также отношения прочности инструмента к прочности обрабатываемой детали.

Окислительным (химико-окислительным) износом называют установившийся стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления окисных пленок, причем скорость окисления превышает скорость других процессов, протекающих на поверхности трения, т.к. окисление является преобладающим. Пленки окислов влияют на интенсивность износа трущихся поверхностей. В случае прочного соединения с телом детали они могут уменьшать интенсивность износа. При слабом соединении с поверхностью детали и непрерывном разрушении они могут усиливать трение и износ трущихся поверхностей.

Под диффузионным понимают износ инструмента при высоких температурах, происходящий из-за взаимной диффузии материалов инструмента и детали. Интенсивность диффузионного износа зависит от свойств контактирующих пар металлов. Интен­сивному диффузионному растворению материалов инструмента и обрабатываемой детали при резании способствуют следующие факторы: а) высокие температуры, превышающие температуру начала химического взаимодействия им с обрабаты­ваемым материалом; б) большие пластические деформации кон­тактных слоев; в) непрерывное обновление поверхностей детали и частично инструмента; г) схватывание (адгезия) в зонах контакта, образование изъянов (кратеров) на поверхностях инстру­мента, немедленно заполняемых материалом детали. Наиболее сильно на коэффициент диффузии, а следовательно, и на интенсивность диффузионного износа влияет температура.

Износ инструмента

Режущие инструменты выходят из строя как в результате истирания по передней и задней поверхностям, так и в результате выкрашивания режущей кромки. На передней поверхности вблизи от режущей кромки часто образуется впадина или лунка. (рис. 4.2 б).

Задняя поверхность обычно изнашивается в виде плоской фаски, называемой площадкой или фаской износа. На рис. 4.2 а такжепоказаны профили лунки износа, возникающей на режущем инструменте. Следует заметить: что при образовании лунки, ее глубина Нл растет значительно быстрее, чем ширина Вл. Край лунки приближается к режущей кромке как за счет расши­рения лунки, так и в результате нарастания износа на задней поверхности. При этом происходит нарушение прочности инстру­мента, которое, в свою очередь, может привести к его разрушению. Это явление наиболее часто наблюдается при прерывистом резании. В начальный период площадка износа на задней поверхности приблизительно параллельна обрабатываемой поверхности. Однако в дальнейшем наклон пло­щадки изменяется. Это изменение показывает, что интенсивность износа вблизи режущей кромки больше, чем в нижней части площадки. Площадки износа имеют неодинаковую ширину вдоль главной и вспомогательной режущих кромок.

 

Рис 4.2 Износ а) по задней поверхности, б) по передней.

 

Износ зависит от условий резания и свойств обрабатываемого материала. Износ преимущественно на вершине инструмента бывает главным образом при резании с очень высокой скоростью. Незначительное снижение скорости может устранить интенсивный износ вершины резца и намного увеличить стойкость инструмента. Выемка на краю площадки износа образуется в результате воздействия твердого поверхностного слоя обрабатываемого материала. Такой слой может образоваться в результате ковки, отливки или горячей прокатки заготовки. Кроме того, он часто встречается при обработке материалов, обладающих высокой склонностью к упрочнению (наклепу), таких, как нержавеющие стали и жаропрочные никелевые или хромистые сплавы. В этом случае тонкий упрочненный слой металла остается после предварительных операций механической обработки.

 

а) б) в) г)

Рис 4.3 Примеры износа резцов из быстрорежущей стали Р6М5 при точении стали 40Х: (а) по задней, (б) передней поверхностям; твердого сплава ВК8 при точении коррозионностойкой стали: (в) по задней, (г) передней поверхностям.

Выкрашивание инструмента сопровождается удалением относительно больших частиц инструментального материала. Инструменты, применяемые для прерывистого резания, особенно склонны к выкрашиванию. Выкрашивание инструмента усили­вается в условиях резания с развитым наростом. Нарост на резце не является абсолютно стабильным, а периодически разрушается. Вместе с наростом может отделиться частичка режущей кромки, что приводит к ее выкрашиванию.

Износ передней и задней поверхностей, а также выкрашивание режущей кромки изменяют геометрию инструмента. При работе изношенным инструментом силы резания обычно увеличиваются. В некоторых случаях, однако, образование лунки на передней поверхности может привести к снижению сил в результате значительного увеличения переднего угла. Износ по задней поверхности и выкрашивание режущей кромки почти всегда приводят к увеличению сил резания. Чистота обработанной поверхности обычно ухудшается с увеличением износа инструмента, в особенности при его выкрашивании и износе по задней грани. В отдельных случаях износ задней поверхности может привести к улучшению чистоты обработанной поверхности за счет выглаживающего действия площадки износа. Износ по задней поверхности влияет на геометрию резца в плане. В результате этого могут измениться размеры обрабатываемых деталей или их форма (например, при использо­вании фасонных резцов). Износ инструмента также может вызывать явление вибрации.

Конечным результатом износа является полное разрушение вершины резца. Это может произойти в результате увеличения температуры, которая размягчает вершину инструмента и приводит к пластическому течению при малых напряжениях сдвига. Процесс размягчения начинается с режущей кромки, затем распространяется в глубь инструмента. Помимо рассмотренного механизма полного разрушения инструмента он может выйти из строя в результате хрупкого разрушения вершины с отделением крупных частиц инструментального материала.